腐蚀钢筋再生混凝土梁承载力数值模拟

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发布时间：2021-09-12

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腐蚀钢筋再生混凝土梁承载力数值模拟
宋永吉，叶方洁，李洪明
(1．江苏筑原建筑设计有限公司，江苏常州213002； 2．南京航空航天大学土木工程系．南京210016)
【摘要】利用有限元方法对钢筋腐蚀率为2．6％再生混凝土梁进行了模拟和分析，通过对有限元计算结果
的分析，可知梁的破坏形态、竖向裂缝扩展过程和荷载一挠度曲线均与试验结果类似。有限元计算得到腐蚀钢筋
再生混凝土梁的极限承载力比试验结果低约6％。
【关键词】有限元分析；腐蚀钢筋；再生混凝土梁；破坏形态；极限承载力
【中图分类号】TU375 【文献标识码】B 【文章编号】1001—6864(2015)O1—0096—03
再生集料混凝土是指利用废旧混凝土破碎加工而成的
再生集料，部分或全部代替天然集料配制而成的新混凝土，
简称再生混凝土 J。目前，国内外对再生混凝土梁的研究
已经较多。Ishi~ 2 J、肖建庄等人试验和研究分析都表明
再生混凝土梁抗弯正截面服从平截面假定；其抗弯性能较
普通混凝土梁没有明显下降，而刚度有所下降。但对于再
生混凝土梁处于腐蚀环境中承载力和变形的研究很少。钢
筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要原因。钢筋腐
蚀会导致混凝土结构过早破坏，造成巨大的经济损失。
研究表明，腐蚀钢筋再生混凝土梁的抗弯性能与腐蚀
钢筋普通混凝土梁相似。本文利用有限元分析软件AN．
SYS，根据腐蚀钢筋普通混凝土梁的抗弯分析方法，对钢筋
腐蚀率为2．6％的再生混凝土梁进行了模拟和分析，求解其
极限承载力。将ANSYS分析的结果与腐蚀钢筋再生混凝土
梁的加载试验结果对比，分析了钢筋腐蚀后再生混凝土梁
的破坏形态、承载力和挠度的变化规律，为再生混凝土梁耐
久性的进一步研究提供科学依据。
1 原型简介
再生混凝土试验梁尺寸为b·h·L=120mm×200mm x
1500ram，强度等级RC35。梁主筋为2根直径12ram 的
HRB335级钢筋，保护层厚度为25mm，架立筋与箍筋均为直
径8ram的HPB235级钢筋，试验梁两端箍筋间距均为
100ram，跨中不配置箍筋。试件梁具体尺寸与配筋见图1。
500 。 500 ． 500
图1 试件尺寸及配筋图
2 材料属性
再生混凝土抗压强度16．7e6N／m ，抗拉强度1．57e6N／
m ，弹性模量2．53e10，}白松比0．2。再生混凝土本构模型采
用文献[4]给出的应力一应变关系曲线。未锈蚀纵筋屈服
应变1．6e一3，屈服强度335e6N／m ，强化应变0．2，极限强
度510e6N／m ，弹性模量2．0ellN／m 。架立筋屈服强度为
235e6N／m ，弹性模量2．1el1N／m 。钢筋泊松比均取0．3。
本文钢筋腐蚀率为2．6％，腐蚀钢筋应力一应变关系参考文
献[5]。腐蚀钢筋与再生混凝土之间的粘结滑移关系根据
肖建庄等的研究成果计算。
3 单元类型的选择
采用钢筋与再生混凝土的分离式模型对腐蚀钢筋再生
混凝土梁进行有限元分析。箍筋和架立筋单元与再生混凝
土单元共用节点，纵筋单元与再生混凝土单元之间由粘结
单元联接。ANSYS设计时采用改进的Wiliam—Wamke五
参数破坏准则作为再生混凝土强度破坏准则。再生混凝土
选用SOLID 65单元，钢筋选用LINK8单元，再生混凝土与钢
筋之间的粘结由COMBINE 39单元来模拟。
4 模型建立
本文根据有限元分析的特点和工作量的大小，先创建
再生混凝土的实体模型，然后对实体模型进行网格划分。
考虑到再生混凝土保护层厚度为25～30mm，为使划分单元
规整、尺寸统一，再生混凝土六面体单元的尺寸为25 x 25×
3O。架立筋和箍筋单元与再生混凝土单元共用节点，将相
应位置处的节点联接即可。腐蚀纵筋单元应独立创建。在
每个纵筋单元与再生混凝土单元节点重合处创建两个
COMBINE39粘结单元。设置粘结单元的自由度方向，建立
平行于纵筋方向和垂直于纵筋方向的弹簧单元。创建的再
生混凝土单元、钢筋单元与粘结单元如图2所示。
采用弥散裂缝方式来处理再生混凝土开裂，裂缝张开
剪力传递系数为0．4，闭合剪力传递系数为1。钢筋单元由
LINK8单元模拟，架立筋与箍筋本构关系采用双线性随动强
化模型(BKIN)，腐蚀纵筋本构关系采用多线性随动强化模
型(MKIN)。腐蚀钢筋再生混凝土梁有限元模型创建完成，
在支座处施加自由度约束，跨中两点对称加载100kN，于跨
中形成0．6m长的纯弯段。
5 模型求解
为加速再生混凝土梁计算的正常收敛，不考虑再生混
凝土压碎，关闭大变形选项，打开线性搜索、预测等选项。
子步数设置为100，每个荷载子步的迭代次数为5O，收敛误
差放宽到3％。经过多次试算，得到比较满意的计算结果。